Экстремальный мир экосистем "Черных курильщиков". Разнообразие земной жизни. Видео

Удивительный мир «чёрных курильщиков»

В науке долгое время считалось, что живые организмы могут существовать только от энергии Солнца. Жюль Верн в своем романе «Путешествие к центру Земли» описал подземный мир с динозаврами и древними растениями. Однако это художественная литература. Но, кто бы мог подумать, что найдется обособленный от энергии Солнца мир с абсолютно не похожими живыми организмами. И найден он был на дне Тихого океана.

Черные курильщики

Еще в пятидесятых годах двадцатого века считалось, что на океанских глубинах жизни быть не может. Изобретение Огюстом Пикаром батискафа развеяло эти сомнения. Его сын, Жак Пикар вместе с Доном Уолшем спустился в батискафе «Триест» в Марианскую впадину на глубину свыше десяти тысяч метров. На самом дне участники погружения увидели живую рыбу. После этого океанографические экспедиции многих стран начали прочесывать глубоководными сетями океанскую бездну и открывать новые виды животных, семейства, отряды и даже классы!

Черные курильщики

Погружения в батискафах совершенствовались. Жак-Ив Кусто и ученые многих стран совершали дорогостоящие погружения на дно океанов. В 70-х годах было совершено открытие, которое перевернуло многие представления ученых. Возле Галапагосских островов на глубине от двух до четырех тысяч метров были обнаружены разломы. И на дне были обнаружены маленькие вулканы - гидротермы. Морская вода, попадая в разломы земной коры, испарялась вместе с различными полезными ископаемыми через небольшие вулканы высотой до 40 метров. Эти вулканы назвали «черными курильщиками» из-за того, что вода выходила из них черного цвета.

Схема строения чёрного курильщика.

Черные курильщики

Однако самое невероятное, что в такой воде, наполненной сероводородом, тяжелыми металлами и различными ядовитыми веществами, процветает бурная жизнь. Температура воды, выходящей из черных курильщиков, достигает 300° С. На глубину четыре тысячи метров не проникают солнечные лучи, и, следовательно, тут не может быть богатой жизни. Даже в более мелких глубинах очень редко встречаются донные организмы, не говоря уже о глубоких безднах. Там животные питаются органическими остатками, которые падают сверху. И чем больше глубины, тем меньше беднее донная жизнь. На поверхностях черных курильщиков были найдены хемоавтотрофные бактерии, которые расщепляют соединения серы, извергаемые из недр планеты. Бактерии покрывают сплошным слоем поверхность дна и живут в агрессивных условиях. Они стали пищей для многих других видов животных. Всего было описано около 500 видов животных, обитающих в экстремальных условиях «черных курильщиков».

Глубоководный Краб

Еще одним открытием стали вестиментиферы, которые относятся к классу причудливых животных - погонофор. В связи с их необычностью, опишем подробно.

ВЕСТИМЕНТИФЕРЫ - АВТОТРОФНЫЕ ЖИВОТНЫЕ

Вестиментиферы - крупные организмы, длина которых варьирует от 5-7 см до 2,5 м. Тело вестиментифер заключено в трубку, материал которой (состоящий из белка и хитина) выделяется специальными кожными железами. Трубка открыта только с одного конца, а другим прикрепляется к субстрату. Обычно трубки вестиментифер образуют сплетения, состоящие из многих сотен или даже тысяч особей, в которых находят приют множество других представителей фауны гидротермальных оазисов (см. рис. 2). Из переднего конца трубки торчит ярко-красный щупальцевый отдел, который при малейшем беспокойстве стремительно втягивается внутрь. Щупальца расположены в несколько десятков ярусов и поддерживаются двумя опорными лопастями, несущими на переднем конце хитиновые крышечки, которыми вестиментиферы могут плотно затыкать вход в трубку

Следующий отдел тела имеет боковые выросты - так называемые вестиментальные крылья, загибающиеся на спинную сторону. Название этих органов (от лат. vestimentum - одежда) было положено в основу названия класса Vestimentifera. В вестиментальном отделе располагаются сердце, почки и мозг, от которого вперед отходят нервы к щупальцам, а назад - парные брюшные нервные стволы, окаймляющие брюшное ресничное поле, хорошо заметное с поверхности . На заднем конце вестиментального отдела два брюшных нервных ствола объединяются в один. У вестиментифер имеются гигантские аксоны, диаметр которых достигает 60-100 мкм. Два таких аксона выходят из мозга, огибают брюшное ресничное поле и сливаются в один, идущий до заднего конца тела. Гигантские аксоны служат для быстрого проведения нервного импульса от мозга к продольной мускулатуре, за счет сокращения которой животное втягивается в трубку. Они характерны для многих беспозвоночных, обитающих в трубках и нуждающихся в специальном механизме, обеспечивающем быстрое втягивание в трубку при опасности (гигантские аксоны есть также у кальмаров, где они проводят нервный импульс к мускулатуре, обеспечивающей реакцию бегства за счет резкого выталкивания воды из мантийной полости).

Самый длинный отдел тела - туловище. Он содержит массивный орган - трофосому, состоящую из крупных клеток и богато снабженную кровеносными сосудами . В этом отделе у вестиментифер располагаются половые железы. Задний конец тела вестиментифер состоит из множества коротких сегментов с поясками щетинок на каждом из них. За счет этих щетинок вестиментиферы заякориваются в трубке.

У вестиментифер (так же как у погонофор) во взрослом состоянии нет рта и кишечника. Электронно-микроскопические исследования показали, что крупные клетки трофосомы содержат множество вакуолей с бактериями .. Бактерии вестиментифер, обитающих в районах горячих источников, принадлежат к группе сероводородокисляющих бактерий. Они окисляют сероводород до серы и полученную при этом энергию используют для фиксации углекислоты и синтеза органических веществ. Этот процесс носит название хемосинтеза и характерен для многих видов свободноживущих бактерий, обитающих там, где в окружающей среде много сероводорода и достаточно кислорода.

В гидротермальных оазисах сероводород поступает из черных курильщиков, а кислород - за счет подсоса холодной и богатой кислородом глубинной воды, окружающей зоны гидротермальных источников. Как же сероводород и кислород достигают бактерий, обитающих в трофосоме в глубине тела? Как оказалось, оба вещества транспортируются кровеносной системой вестиментифер. Сложная кровеносная система вестиментифер содержит две системы капилляров: одну в щупальцах, а другую в трофосоме . Сеть капилляров кровеносной системы проникает непосредственно внутрь клеток трофосомы и при этом так густа, что любую бактерию от ближайшего капилляра отделяет не более двух других бактерий . Гемоглобин вестиментифер соединяется и с кислородом и с сероводородом, при этом сероводород обратимо связывается с белковой частью молекулы, а кислород - с гемом.

Бактерии, защищенные внутри организма хозяина от неблагоприятных воздействий, получают от него сероводород и кислород. За счет переваривания части бактерий хозяин получает органические вещества, которые служат единственным источником питания вестиментифер. Таким образом, сожительство хемосинтезирующих бактерий и вестиментифер является взаимовыгодным симбиозом.

Открытие симбиотрофного (обеспечиваемого симбионтами) питания у вестиментифер натолкнуло исследователей на мысль, что таким же способом могут питаться и типичные погонофоры, известные задолго до открытия гидротермальных оазисов. В их организме имеется загадочный орган - замкнутый с обоих концов срединный канал. В клетках этого органа были найдены бактерии, что позволило считать срединный канал гомологом трофосомы. Правда, бактерии, найденные у погонофор, принадлежат к другой группе прокариотных организмов - это метанокисляющие бактерии. Они окисляют метан и за счет полученной энергии синтезируют органические вещества.

Вестментиферы

Препарированный вестментифер

Кроме того, рядом были найдены двустворчатые моллюски родов Calyptogena и Bathymodiolus, которые также вступили в симбиоз с бактериями и перестали зависеть от поисков пищи.

Одни из самых необычных созданий глубоководного мирка гидротерм - это помпейные черви Alvinella. Названы они из-за аналогии с извержением вулкана Помпеи - живут эти существа в зоне горячей воды, достигающей 50°С, и на них постоянно падает пепел из частиц серы.

Черви вместе с вестиментиферами образуют настоящие «сады», дающие пищу и приют многим организмам. Среди колоний вестиментифер и помпейных червей живут крабы и десятиногие раки, которые питаются ими. Также среди этих «садов» встречаются осьминоги и рыбы из семейства бельдюговых.

Мир черных курильщиков приютил и давно уже вымерших животных, которые были вытеснены из других частей океана, таких как усоногих рачков Neolepas. Эти животные были широко распространены 250 миллионов лет назад, однако затем вымерли. Здесь же представители усоногих ракообразных чувствуют себя спокойно.

Помпейский червь

На вершине экологической пирамиды курильщиков находятся хищники — глубоководные осминоги и хищные рыбы термарцесы (адские церберы). Медленно и уверенно плавают они вокруг в поисках крабов или креветок на обед.

Рис. 5. Термарцес Цербер (адский цербер) - Thermarces cerberus.

Красота и богатство сообществ черных курильщиков, резко контрастирующие с бедным и однообразным населением ложа океана, так поразили исследователей, что некоторые из гидротермальных оазисов называются в научной литературе весьма поэтично: «Райский сад», «Розовый сад» и т. п. Но возникает вопрос: каким образом поддерживается жизнь в этих райских садах, куда не проникает солнечный свет и которые полны ядовитых с нашей точки зрения веществ? Это сероводород, сульфиды тяжёлых металлов, углекислый газ и т. д. Их концентрация в водах курильщика превышает концентрацию в обычной морской воде в сотни миллионов раз. Для наземных организмов и тех, что живут в океане в поверхностном слое, это было бы смертельно. А животные курильщиков спокойно выживают в такой среде. Добавим к этому высокие температуры и сверхвысокие давления, царящие на глубине океана. Сейчас учёные уже знают ответ на этот вопрос.

Оказалось, что основой жизни в курильщиках являются бактерии. Эти бактерии не совсем обычные. Сами они живут за счёт того, что поглощают из воды сероводород и перерабатывают его химическим путём. Эти химические реакции идут с выделением энергии подобно тому, как при горении топлива выделяется тепло. Дальше с помощью этой энергии бактерии синтезируют из углекислого газа и воды питательные органические вещества, подобно тому, как это делают растения в наземных сообществах. Только растения используют для этого не химическую энергию, а лучистую энергию солнца. Процесс образования питательных органических веществ в зелёных частях растений из углекислого газа и воды с помощью солнечной энергии называется фотосинтезом. В отличие от этого, способ синтеза питательных органических веществ бактериями за счёт энергии химических реакций получил название хемосинтез. Эти питательные вещества в первую очередь поддерживают жизнь самих бактерий. Затем бактериями питаются другие, более крупные и высокоорганизованные члены сообщества.

Конечно, не все обитатели гидротерм питаются бактериями напрямую. Система устроена сложнее: имеется лишь несколько таких видов. В Тихом океане это вестиментиферы и различные виды двустворчатых моллюсков. В Атлантике распространены креветки римикарисы. Они лишены обычных глаз, зато у них развился специальный орган — термоглаза, — работающий в инфракрасном диапазоне и позволяющий видеть струи кипятка.

Открытие экосистем «черных курильщиков» стало самым значимым событием в биологии. Такие экосистемы были обнаружены в разных частях Мирового Океана и даже на дне озера Байкал.

Источник: cont.ws